一種新型測量旋光色散的方法

李子駿+賈宏志

摘要：

提出了一種新的測量旋光色散的方法。該方法利用白光LED作為光源，經(jīng)起偏棱鏡、樣品管和檢偏棱鏡后，復(fù)色偏振光經(jīng)平面衍射光柵分光后，由線陣CCD進行采集，CCD的每個像元對應(yīng)接收復(fù)色偏振光經(jīng)分光后的某一波長的光信號，在檢偏器旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)，獲得相應(yīng)的光強數(shù)據(jù)，使用擬合算法，對每一個像元所采集的光強數(shù)據(jù)逐一進行處理，最終得出CCD像元所對應(yīng)波長的旋光度，最后得到旋光色散數(shù)據(jù)。并利用標(biāo)準石英管進行了實驗研究，證明了這種測量方法的可行性。

關(guān)鍵詞：

旋光色散； 線陣CCD； 擬合算法

中圖分類號： TH 741文獻標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.002

This paper proposed a new method of measuring optical rotatory dispersion.The white LED is utilized as radiation source and after transmitting through polarizer，sample tube and analyzer，the composite polarized light is dispersed with transmission grating to obtain the optical rotatory dispersion，and the light intensity data are captured by a line-array CCD.Every single pixel of CCD captures one certain wavelength light from the transmission grating and obtains all data during the rotation of analyzer.Polynomial fitting algorithm is used to process the data captured by every single pixel of CCD.The optically active rotation angles versus CCD pixels numbers are finally obtained.By using the experimental device and standard quartz tube，we finally get the optical rotatory dispersion data of standard quartz tube.The experimental research proved the feasibility of this measuring method.

Keywords： optical rotatory dispersion； linear-array CCD； polynomial fitting algorithm

引言

旋光現(xiàn)象最早是由科學(xué)家Arago發(fā)現(xiàn)的，隨后Biot發(fā)現(xiàn)石英能使偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，其偏轉(zhuǎn)的角度為旋光角[1]。旋光色散是光學(xué)活性物質(zhì)的旋光角隨波長變化的一種色散效應(yīng)[2]。最早研究物質(zhì)光學(xué)活性的儀器是旋光儀，主要用于測定光學(xué)活性物質(zhì)的純度[3]，但是這類單一波長旋光值的儀器能提供的信息量太少，無法研究分子的立體結(jié)構(gòu)，因此Rudolph利用單色器與旋光儀連用的方法，研制了世界上第一臺光電分光旋光儀[4]，之后的旋光色散測量系統(tǒng)往往是基于Rudolph的方法。Kliger等以氙燈為光源，陣列探測器為探測元件的系統(tǒng)，并利用Keston算法，能測量納秒級的旋光色散變化[5]；Dressler等成功地將近場光學(xué)掃描顯微鏡用于手性物質(zhì)偏振態(tài)的測量，并申請了相關(guān)專利[6]；韓志剛等利用三步移相算法計算糖溶液的透射光譜來測量相應(yīng)旋光色散，該算法有效地減小了實驗中的系統(tǒng)誤差[7]。但是，他們的方法有著相同的不足之處——測量裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實驗數(shù)據(jù)處理繁瑣。本文提出了一種光路簡單，數(shù)據(jù)處理快速精確的旋光色散測量方法。

1測量原理

測量系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。系統(tǒng)由光路部分和光電轉(zhuǎn)換部分組成：光路部分主要包括白光LED、準直透鏡、起偏棱鏡、旋光管、檢偏棱鏡、光柵；光電轉(zhuǎn)換部分為線陣CCD傳感器。

當(dāng)接通電源后，白光LED發(fā)出一束含可見光波段的復(fù)合光，該光通過準直透鏡準直后，經(jīng)過起偏棱鏡變?yōu)榫€偏振光，然后經(jīng)過旋光管中的旋光物質(zhì)后，其偏振面旋轉(zhuǎn)，并且由于不同波長的光比旋度不同，因此各波長的線偏振光通過旋光管后，其偏振面的旋轉(zhuǎn)角度也不同。最后，這束光經(jīng)過檢偏棱鏡和光柵后，由光柵使復(fù)合偏振光發(fā)生色散，將白光分解形成光譜，不同波長的線偏振光照射在線陣CCD傳感器不同位置的像元上，線陣CCD傳感器將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺刹煌南裨涗洸煌ㄩL的電信號。

在接通光源的同時，由步進電機帶動檢偏器轉(zhuǎn)動。步進電機每轉(zhuǎn)動一步，由于光信號的偏振角度與檢偏器的角度發(fā)生變化，導(dǎo)致經(jīng)過檢偏器的光信號的幅值大小發(fā)生變化，并被CCD所采集。步進電機每轉(zhuǎn)動一步，CCD就實時采集一次，并由計算機進行保存。對于CCD所采集的數(shù)據(jù)，做如下記錄：

當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動第一步時，記錄CCD上像元1的輸出幅值記為V11，像元2上的輸出幅值記為V21，像元3上的輸出幅值記為V31…以此類推，像元n上的輸出幅值記為Vn1；當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動第二步時，記錄像元1的輸出幅值為V12，像元2上的輸出幅值記為V22，像元3上的輸出幅值記為V32…像元n上的輸出幅值為Vn2；步進電機每轉(zhuǎn)動一步記錄方法也以此類推，當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動第m步時（假定步進電機轉(zhuǎn)動m步時，步進電機轉(zhuǎn)完一圈），記錄像元1的輸出幅值為V1m，像元2上的輸出幅值記為V2m，像元3上的輸出幅值記為V3m…像元n上的輸出幅值為Vnm。此時數(shù)據(jù)記錄如表1所示。